月球或能“變身”天體物理實(shí)驗(yàn)室

英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站近期報(bào)道，正在或即將于月球上部署的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置與天文設(shè)備，的確有望解開諸多宇宙之謎。一些長期困擾人類的疑問，或?qū)⒃谶@片銀色荒原中找到答案。

繪制“宇宙黑暗時(shí)代”全景圖

無線電波是探索遙遠(yuǎn)宇宙奧秘的關(guān)鍵鑰匙。雖然人們能利用各種波長的光觀測(cè)恒星與星系的“蛛絲馬跡”，然而唯有通過無線電波，才能窺見宇宙第一縷曙光誕生前的“宇宙黑暗時(shí)代”。這段時(shí)期為后續(xù)星系的形成奠定了基礎(chǔ)，而要想解開它的秘密，必須捕捉到宇宙大爆炸約38萬年后第一批氫原子釋放的光子所攜帶的信息。

然而，這些最古老的光子僅以低頻無線電波的形式存在。在地球上，它們或被大氣層反射，或被人類活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲淹沒，幾乎無法捕捉。而月球背面這片永遠(yuǎn)背對(duì)地球的寂靜之地，或許正是觀察它們的理想窗口。通過分析這些原始光子的分布，天文學(xué)家有望繪制出“宇宙黑暗時(shí)代”的全景圖。

不僅如此，月球背面的射電望遠(yuǎn)鏡還能捕捉系外行星的極光與磁場(chǎng)信號(hào)，這些微弱信息在地球上同樣難以分辨。此類研究將幫助科學(xué)家理解系外行星的環(huán)境，甚至探尋生命存在的可能性。

月球還能大幅提升事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）的觀測(cè)能力。事件視界望遠(yuǎn)鏡曾拍攝到首張黑洞照片，而月球表面的無線電觀測(cè)站若與地球望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)，將使其成為更強(qiáng)大的“宇宙之眼”。更高精度的黑洞照片不僅能揭示這些神秘天體的本質(zhì)，還能進(jìn)一步驗(yàn)證引力理論。

作為首個(gè)月球射電天文實(shí)驗(yàn)，美國國家航空航天局（NASA）的“光電鞘月球表面無線電波觀測(cè)儀”（ROLSES-1）2024年在月球南極附近著陸。盡管其意外傾倒，數(shù)據(jù)收集能力受限，但仍成功捕捉到來自地球和木星的無線電信號(hào)，證明了月球觀測(cè)的可行性。

“月球表面電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)”（LuSEENight）將于2026年啟動(dòng)，目標(biāo)是探測(cè)銀河系的低頻光，向“宇宙黑暗時(shí)代”的終極答案更進(jìn)一步。而美國國家航空航天局的“月球隕石坑射電望遠(yuǎn)鏡”（LCRT）擬在月球背面的隕石坑內(nèi)架設(shè)直徑350米至1000米的巨型網(wǎng)狀天線。若成功，它將成為人類歷史上最大的射電接收器之一，憑借它可以聽到古老宇宙的“喃喃低語”。

研究“時(shí)空漣漪”的科學(xué)平臺(tái)

在探索宇宙奧秘的征途上，月球正成為研究引力波——“時(shí)空漣漪”的理想平臺(tái)。

目前，地球上的科學(xué)家已成功捕捉到雙黑洞合并、雙中子星碰撞等天體事件產(chǎn)生的引力波。他們希望未來能捕捉更多引力波，進(jìn)一步揭示黑洞、中子星和引力的本質(zhì)。

然而，地面觀測(cè)面臨諸多挑戰(zhàn)。美國激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）必須排除地震、水流、潮汐乃至人類活動(dòng)帶來的干擾。相比之下，月球堪稱理想的觀測(cè)地點(diǎn)。這里地震活動(dòng)微弱，沒有大氣擾動(dòng)，更無人為噪聲。更重要的是，月球表面的氣壓僅比美國激光干涉儀引力波天文臺(tái)精心維持的真空管高出10倍。

意大利格蘭薩索科學(xué)研究所天文學(xué)家簡·哈姆斯認(rèn)為，在月球上建造和運(yùn)行引力波探測(cè)器將事半功倍。科學(xué)家甚至有望發(fā)現(xiàn)美國激光干涉儀引力波天文臺(tái)無法探測(cè)到的引力波源，比如超大質(zhì)量黑洞的合并事件。

美國哈佛-史密森天體物理中心的賈斯敏·吉爾表示，月球觀測(cè)站還將幫助科學(xué)家研究超新星爆發(fā)時(shí)的核心坍縮過程，揭示恒星如何蛻變?yōu)橹凶有腔蚝诙吹膴W秘。

目前，科學(xué)家已著手研發(fā)“激光干涉儀月球天線”（Luna-LIGO）。根據(jù)計(jì)劃，3臺(tái)攜帶精密儀器的著陸器將部署在月球隕石坑邊緣，彼此間隔數(shù)千米。每個(gè)著陸器都將配備激光系統(tǒng)、反射鏡和先進(jìn)的隔振裝置，以消除月震的微弱干擾。這一系統(tǒng)有望在未來10年內(nèi)升空。

歐洲空間局也在推進(jìn)“月球引力波天線”（LGWA）計(jì)劃。在月球兩極的永久陰影區(qū)，溫度可低至-246℃以下，這種極端環(huán)境將極大提升探測(cè)靈敏度。在隕石坑底部部署一組振動(dòng)傳感器，就可能探測(cè)到地球上無法捕捉的遠(yuǎn)古黑洞等天體產(chǎn)生的引力波。這些突破將為科學(xué)家打開觀測(cè)早期宇宙的新窗口。

下一代紅外天文臺(tái)的理想家園

近年來，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）憑借先進(jìn)的紅外觀測(cè)技術(shù)，獲得了突破性觀測(cè)圖像，正在重塑人們對(duì)宇宙演化的認(rèn)知。而月球上那些深邃的隕石坑，或許將成為下一代紅外天文臺(tái)的理想家園。

巴黎天體物理研究所的讓-皮耶爾·美拉德正領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)研究，探索在月球永久陰影區(qū)建造紅外望遠(yuǎn)鏡的可能性。這些天然形成坑洞的凹形結(jié)構(gòu)，本身就是完美的望遠(yuǎn)鏡基座。月球微弱的引力環(huán)境還允許建造超大口徑鏡片，這是在地球重力場(chǎng)下無法實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想，因?yàn)榈厍蛞?huì)導(dǎo)致鏡面玻璃變形。

美拉德的研究表明，月球紅外望遠(yuǎn)鏡的靈敏度可能遠(yuǎn)超現(xiàn)有任何地基或天基觀測(cè)設(shè)備。哈佛-史密森天體物理中心的馬丁·埃爾維斯表示，在月球上，很多現(xiàn)有技術(shù)難題將迎刃而解。

然而，這項(xiàng)宏偉計(jì)劃面臨著一個(gè)棘手挑戰(zhàn)：月球塵埃。美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校物理學(xué)家米哈伊·霍拉伊表示，月球上的塵埃會(huì)在月球的日出和日落時(shí)漂浮，原因至今未明。這種異常行為不僅可能干擾紅外觀測(cè)，還會(huì)影響引力波探測(cè)器和射電儀器工作。在建造任何月球天文臺(tái)前，科學(xué)家必須徹底研究月球塵埃的特性。此外，未來的月球觀測(cè)站還須應(yīng)對(duì)強(qiáng)烈的宇宙輻射和晝夜之間的巨大溫差。